Техническая революция в горном деле, связанная с использованием энергии пара

Содержание

Введение……………………………………………………………….…………2

1.Использование  энергии пара в горном деле...........................................4

2. Техническая  революция в горном деле, связанная  с использованием энергии пара………………………………………………………………..…..10

Заключение……………………………………………………………………..15

Список литературы…………………………………………………………….17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Под горным делом понимают сферу деятельности человека по освоению недр Земли, связанную с извлечением полезных ископаемых. В древнегреческом языке общим термином, обозначающим добычу любого сырья из недр Земли, служит одно слово, примерно соответствующее русскому сложному слову «рудовыкапывание». Причем, этот термин применяли при описании добычи металлической руды, драгоценных камней, соли, строительного камня и даже воды. В своих трактатах Аристотель указывал, что горное дело охватывает различные отрасли. 
 В современном понятии горное дело включает все виды техногенного воздействия на земную кору, - как непосредственное извлечение полезных ископаемых, так и их первичную переработку и даже научные исследования, связанные с горными технологиями. 
 Начало горного дела в виде добывания кремня относится к эпохе древнего палеолита (каменный век). Дальнейшее его развитие происходило вместе с развитием человеческого общества и тесно связано с его социально-экономической структурой. 
 Добыче полезных ископаемых предшествует их разведка (необходимая для определения запасов, качества руд и экономической целесообразности эксплуатации данного месторождения, производственной мощности горного предприятия, способов разработки месторождения. Всё более широкое применение получают геофизические методы разведки, развиваются геохимические поиски и микробиологическая разведка. Данные разведочных работ и пространственно-геометрических измерений изображаются на картах, планах, разрезах и графиках методами маркшейдерии и горной геометрии.

Когда выявлены достаточные запасы полезного ископаемого, а также  техническая и экономическая  целесообразность его использования, приступают на основе предварительно составленного проекта к разработке месторождения. Для этого проводится по определённому плану сеть подземных или открытых горных выработок или бурятся скважины; для вскрытия месторождения строятся необходимые надземные и подземные сооружения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Использование энергии пара в горном деле

 

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой  и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Преимущества пара включают низкую токсичность, безопасность использования  с легковоспламеняющимися и взрывоопасными материалами, простоту перемещения, высокую  эффективность, высокую теплоту  конденсации, а также низкую стоимость  теплоносителя по сравнению с  термомаслами. Пар отличается высокой теплотой конденсации на единицу массы (2300-2900 кДж/кг); эта теплота может быть преобразована в механическую энергию при помощи турбины или использована для нагрева в различных технологических процессах. Поскольку большая часть энергии пара имеет форму скрытого тепла (теплоты испарения), значительные количества пара могут эффективно передаваться при практически постоянной температуре, что облегчает подведение энергии ко многим технологическим процессам.

Вода может использоваться в  тех случаях, когда рабочие температуры  не превышают 100°C. Однако вода под высоким  давлением, характеризующаяся более  высокой температурой кипения, может  использоваться при рабочих температурах выше 100°C, в некоторых случаях  превышающих 180°C. Термомасла отличаются более высокой температурой кипения (и специально разработаны для длительных сроков службы). Однако они, как правило, имеют меньшую удельную теплоемкость и коэффициент теплопроводности, чем вода.

Переход воды в газообразное состояние  требует значительной энергии, которая  преобразуется в скрытое тепло  пара. Это позволяет добиться значительно  более интенсивной теплоотдачи, чем при использовании в качестве теплоносителя воды или термомасел:

• вода – 4000 Вт/м2·°C;

• термомасло – 1500 Вт/м2·°C;

• водяной пар – >10000 Вт/м2·°C.

Существует непосредственная зависимость  между температурой получаемого  пара и давлением. Это позволяет  легко обеспечить необходимую температуру  пара, меняя давление. Использование  пара высокого или низкого давления накладывает определенные требования на различные характеристики установки, поэтому необходимо тщательно выбирать давление пара для проектируемой  установки с тем, чтобы достичь  оптимального соотношения между  надежностью и энергоэффективностью.

Возможные проблемы

• производство пара связано с  традиционными воздействиями, характерными для сжигания топлива;

• в случае подготовки питательной  воды котла возможно поступление  в окружающую среду химических веществ, используемых для очистки или  деионизации воды;

• отходящий пар или сбрасываемый горячий конденсат могут приводить  к повышению температуры в  принимающих канализационных системах или водных объектах.

Структура паровой системы

Как правило, паровая система состоит  из четырех основных компонентов: парогенератора (котла), распределительной системы (паропроводов или конденсатопроводов), потребителя или конечного пользователя (установки или технологического процесса, использующих пар или тепло), а также системы сбора конденсата. Эффективное производство и распределение пара, а также надлежащая эксплуатация и техническое обслуживание паровой системы способны внести значительный вклад в сокращение потерь тепла, как описано ниже:

• производство пара: пар производится в котле или теплоутилизационном парогенераторе посредством передачи тепла от горячих газов, образовавшихся при сгорании топлива, к воде. Когда вода получает достаточное количество тепла, происходит фазовый переход из жидкого в газообразное состояние. В некоторых котлах для дополнительного увеличения содержания тепла в паре применяется пароперегреватель. Под давлением пар поступает из котла или парогенератора в распределительную систему;

• распределение: распределительная  система обеспечивает подачу пара от котла или парогенератора к месту  конечного использования. Многие распределительные  системы имеют несколько паропроводов, по которым подается пар различного давления. Эти подсистемы разделяются  различными элементами трубопроводной арматуры – запорными клапанами, редукционными клапанами и, в  некоторых случаях, турбодетандерами. Обеспечение энергоэффективности паровой системы требует надлежащего баланса давления пара, организации сбора конденсата, адекватной теплоизоляции и эффективного регулирования давления.

Использование пара высокого давления имеет следующие преимущества:

• более высокая температура  насыщенного пара;

• меньший объем пара, что позволяет  использовать паропроводы меньшего диаметра;

• если потребителям подается пар  высокого давления, его давление может  снижаться перед использованием;

• более высокое давление обеспечивает более стабильные условия парообразования  в котле.

Пар низкого давления характеризуется  следующими преимуществами:

• меньшие потери энергии при  производстве пара и в распределительной  системе;

• меньшее содержание остаточного  тепла в конденсате;

• меньшие потери, связанные с  утечками в паропроводах;

• менее интенсивное образование  накипи.

В силу того, что для паровых  систем характерно высокое рабочее  давление, обеспечение безопасности является крайне важным аспектом эксплуатации таких систем. Кроме того, в паровых  системах могут иметь место гидравлические удары и различные виды коррозии. Как следствие, надежность и срок службы различных компонентов существенно  зависят от конструкции системы, качества монтажа и технического обслуживания.

1. Конечное использование: существует множество типов конечного использования энергии пара, например:

- преобразование в механическую  энергию: приведение в движение  турбин, насосов, компрессоров и  т.д. Как правило, речь идет  о крупном оборудовании – генераторах  электроэнергии, крупных компрессорах  и т.п.;

- нагрев: подведение тепла к  технологическим процессам, сушка  разнообразной бумажной продукции;

- использование в химических  реакциях: создание требуемых условий  для реакций и регулирование  их хода, ректификация углеводородных  смесей, источник водорода в паровом риформинге метана.

Традиционное конечное оборудование паровых систем, в котором происходит использование энергии пара, включает теплообменники, турбины, ректификационные колонны, колонны отпарки, а также химические реакторы.

В случае подведения тепла к технологическому процессу пар с помощью теплообменника передает используемому в процессе веществу энергию, в основном теплоту  конденсации. Пар удерживается в  теплообменнике до конденсации, после  чего конденсат отводится в систему  возврата с помощью конденсатоотводчика. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию, приводя в движение машины вращательного или возвратно-поступательного действия, например, насосы, компрессоры или электрогенераторы. В ректификационных колоннах пар используется для разделения жидкостей на различные компоненты. Кроме того, пар может применяться для отпарки примесей из различных веществ. Наконец, пар используется в некоторых химических реакциях в качестве источника воды.

2. Сбор и возврат конденсата: после того, как теплота конденсации пара передана технологическому процессу или использована, вода (конденсат) возвращается в котел при помощи системы сбора и возврата конденсата. Сначала конденсат собирается в специальном резервуаре, откуда он при помощи насоса подается в деаэратор, где из конденсата удаляются неконденсируемые газы. В резервуаре для сбора конденсата или деаэраторе к конденсату могут быть добавлены подпиточная вода и необходимые химические вещества. Питательные насосы увеличивают давление воды до уровня, превышающего рабочее давление в котле, и подают ее в котел, тем самым завершая цикл;

Эффективность

Затраты на производство пара непосредственно  зависят от цен на используемое топливо; ценовые преимущества, связанные  с определенным видом топлива, могут  перевесить такие факторы, как относительно низкий тепловой КПД при его применении. Однако при использовании любого конкретного вида топлива повышение  теплового КПД является важным ресурсом энергосбережения.

Устранение потерь энергии в  процессе производства и распределения  пара (включая возврат конденсата) способно значительно снизить стоимость  пара на уровне конечного пользователя.

Потенциальные объемы энергосбережения для конкретных предприятий могут  варьировать в диапазоне от менее 1% до 35 %, средняя величина составляет 7 %.

Область применения

Широко применяется во многих секторах , включая электроэнергетику, все виды химической промышленности, целлюлозно-бумажную промышленность и пищевую промышленность, в частности, производство напитков и молока.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Техническая революция в горном деле, связанная с использованием энергии пара

 

     История горной науки подразделяется на три периода: 
 Первый – (всё до капиталистической формации) в этот период горная наука в широком охвате явлений вобрала в себя различные области знаний. Известно, что потом из неё вышли многие науки геологического, горного и технологического (например, металлургия) плана. Интересно отметить, что первое и по существу современное определение горной науки дал М.В. Ломоносов«Наука, которая учит минералы знать, приискивать и приводить в такое состояние, чтобы они в обществе человечеством были угодны».  
 Второй период горной науки связан с её дифференциацией, возникновением целого семейства горных наук, привлечением фундаментальных наук. В этот период горная наука активный фактор преобразования горного производства.

  Третий период – это сближение науки и производства, т.е. когда результаты научных исследований воплощаются в коммерческие проекты. Основной задачей горной науки становится принципиальное изменение технологий разведки, разработки и переработки полезных ископаемых. Для этого понадобился синтез разных направлений горных наук в единую систему знаний. 

Ещё в эпоху возрождения Везалий  писал, что «Возникает множество  препятствий при изучении конкретного  предмета. Его чрезмерное дробление  среди узких специалистов, которые, изучая одну сторону предмета исследования, оставляют в стороне многие другие, неразрывно связанные с ним». Узкая  специализация в современной  горной науке привела к разобщённости  в научных кругах и, в определённом смысле, даже «неграмотности» узкого специалиста, который, будучи уверен в  своей правоте, стремится изолироваться  от других мнений, связанных с решением другой стороны насущной проблемы сегодняшнего дня. 
 Сейчас происходит становление одной из ветвей горной науки - «физико-химической геотехнологии» (ФХГ), объединяющей знания физиков, химиков, геологов и технологов для решения проблем горной науки. Прикладные науки не могут существовать без достижений фундаментальных наук. Их надо не разрывать, а соединять в работе научных коллективов. 
 В геотехнологическом процессе участвуют многие миллиарды атомов химических элементов. Поэтому для определения путей протекания этих процессов следует учитывать свойства всех минералов, которые подчинятся термодинамическим законам. Например, при химических процессах в недрах земли происходит поглощение или выделение энергии, определяемое термодинамическими свойствами минеральных ассоциаций и термодинамическими условиями среды. И, так как любая термодинамическая система стремится перейти в состояние максимальной устойчивости с минимальной свободной энергией, на поддержание процесса всегда требуется дополнительная энергия. Изменяя Р, t и C можно нарушить равновесие системы, тем самым обеспечив протекание геотехнологического процесса. 
 Горная наука решает теоретические и технические проблемы горного дела, соприкасается с многими смежными науками и во многом определяет сферу интересов политиков, экономистов, социологов и философов. Её общественное значение невозможно переоценить, поскольку её роль в реализации программы развития страны огромна. Известно, что за последние 20 лет добыто полезных ископаемых столько же, сколько за всю историю нашей цивилизации, а потребуется в ближайшее время всё больше и больше. Добывающая промышленность, несмотря на кризисы, постоянно увеличивает своё производство, хотя по многим причинам наблюдается постоянное ухудшение её технико-экономических показателей. 
 Сегодня, когда остро ставятся проблемы ресурсов сырья, снижения себестоимости его добычи и охраны окружающей среды – эти вопросы выходят за рамки только горных проблем и приобретают значение крупной государственной задачи. Думаю, что настало время принципиально изменить взгляд на горное производство, ибо социальное положение и престижность профессии горняка год от года не увеличивается. 
  Успехи отечественной горной науки значительны. У советских учёных было немало приоритетных достижений, как в теоретических разработках, так и в практике горного производства. Есть немало научных школ и направлений, поднявших горные исследования на высокий уровень. Достаточно назвать имена ведущих исследователей и перед нами возникают целые вереницы научных школ, проблем и значительных результатов. В то же время постоянно усложняются горногеологические условия разработки, уменьшается содержание полезного компонента, новые месторождения выявляются в необжитых регионах страны, что определяет рост себестоимости и снижения производительности труда в расчёте на конечную продукцию. 
 Традиционные горные работы, как правило, связаны с операциями отбойки горной массы от массива в форме куска, его доставки к месту предварительного передела (обогащения) и передела в товарный продукт. Известно, что за прошлый век горное дело шагнуло от кайла и лопаты до мощных механизированных комплексов, однако эти изменения носят больше количественный, чем качественный характер, поскольку в основе технологии всё те же кайло и лопата, хотя и механические. 
 Статистические данные показывают, что резкого прогресса в традиционной технологии ждать невозможно. Оценка узких мест в горном деле показала, что замена технологии в отдельном узле не даёт значительного эффекта, а «поточная технология» и «безлюдная» выемка полезных ископаемых на базе традиционных методов добычи практически очень трудноосуществима, если вообще реальна. Необходимо соединять в недрах добычу и передел и первые такие предприятия уже работают. Открытая и подземная технологии добычи – это колыбель горного дела, но нельзя жить постоянно в колыбели, нужно из неё переходить, как сказал В.И. Ленин. 
 Горные науки – это фактически технологические рецепты, отнесённые к конкретным условиям. Есть ли теория в горной науке? Есть – это раскрытие связей между горной средой и техническими средствами и способами добычи полезных ископаемых. Традиционно описательная – горная наука в настоящее время не может плодотворно развиваться без привлечения самых разнообразных сведений из химии, физики и других фундаментальных наук.